上海纤维增强复合材料导热系数测试-ASTM C518-17使用热流计装置测定稳态热传导性能的标准试验方法

公司名称：广州中翔检测技术有限公司www.zhongxiangjc.com

在航天、航空领域中，科研人员经常使用玻璃纤维复合材料作为低温设备的隔热支撑，既要保证卫星发射时力学环境要求的刚度和强度，又要有良好的绝热性能。但当支撑件较大时，玻璃纤维复合材料的刚度和强度不足，需要在其中增加碳纤维和其他高刚度和高强度的高分子纤维，形成多组分复合材料。碳纤维复合材料虽然有足够的刚度和强度，但热导率较高，使复合材料整体热导率升高。因此，以热导率为代表的热物性，是这种新型复合材料设计中不可缺少的数据。进一步研究航天航空领域中的低温应用研究材料热导率在低温下随温度的变化情况。

复合材料应用领域

一、导热系数概念

导热系数指在稳定传热条件下，单位时间内通过‌单位厚度（1米）‌的材料，在‌单位温度梯度（1 K/m）‌作用下，经‌单位面积（1 m²）‌ 传递的热量；反映复合材料内部热能由高温区向低温区传递的速率效率。

数学公式：傅立叶热传导定律

其中 λ 为导热率，负号表示热量逆温度梯度方向传递。

二、纤维增强复合材料导热系数测试方法

导热系数其检测方法主要分为稳态测量法和非稳态测量法（瞬态法）二大类型。

2.1稳态测量法

稳态测量法具有原理清晰，可准确、直接地获得热导率值等优点，并适合较宽温区的测量，缺点是比较原始、测定时间较长和对环境（测量系统的绝热条件，测量过程中的温度控制以及样品的形状尺寸等）要求苛刻。常用于低导热系数复合材料的测量，其原理是利用稳定传热过程中，传热速率等于散热速率的平衡条件来测得导热系数。

2.1.1热流计法

热流计法是利用热流传感器直接测量通过试样的热流，结合试样尺寸参数计算导热系数，适用于导热系数较小的固体材料、纤维材料和多空隙材料。支持大尺寸试样（300mm×300mm），适用于玻璃纤维/树脂基复合材料。

热流计法导热仪

2.1.2 保护热板法

原理：将纤维复合材料加工成平板试样，置于恒温热板与冷板之间，测量稳态热流密度及温差计算导热系数；适用于航空航天用高性能纤维隔热材料（如陶瓷纤维增强复合材料）。

热流法导热系数测量仪

2.1.3 圆管法

圆管法是根据长圆筒壁一维稳态导热原理直接测定单层或多层圆管绝热结构导热系数的一种方法。

圆管法导热系数测试仪

2.2非稳态测量方法（瞬态法）

非稳态测量法是最近几十年内开发出的导热系数测量方法，多用于研究高导热系数材料，或在高温条件下进行测量。在瞬态法中，测量时样品的温度分布随时间变化，一般通过测量这种温度的变化来推算导热系数。动态法的特点是测量时间短，度高、对环境要求低，但受测量方法的限制，多用于比热基本趋于常数的中、高温区导热系数的测量。

瞬态平面热源法导热仪

2.2.1热线法

热线法已建立其数种绝热材料在高温下导热系数的测量方法，其中一种国际标准方法是热线法ISO8894热线法是在试样中插入一根热线。测试时，在热线上施加一个恒定的加热功率，使其温度上升。测量热线本身或平行于热线的一定距离上的温度随时间上升的关系。由于被测复合材料的导热性能决定这一关系，由此可见得到复合材料的导热系数。

测量热线温升的方法有3种：

（1）交叉线法适用焊接在热线上的热电偶直接测量热线的温升；

（2）平行线法是测量与热线隔着一定距离的一定位置上的温升；

（3）热阻法是利用热线（多为铂丝）电阻与温度之间的关系得出热线本身的温升。热线法适用于测量不同形状的各向同性的固体材料和液体。

2.2.2热带法

热带法将其薄带状的电加热体能更好地与被测固体材料接触，故热带法比热线法更适合于测量固体材料的热物性，同时还可以测量液体、松散材料、多孔介质及非金属材料。在热带表面覆盖很薄的导热绝缘层后，还可以测量金属材料，适用于范围广，测量精度高，方便实用。

2.2.3 常功率热源法

常功率平面热源法是我国70年代独立开发测定复合材料的导热系数的非稳态方法。平面加热器用恒定功率加热，以维持恒定的热流量，在实验时间足够短的条件下，试样可以看作是半无限大物体。根据不稳定导热过程的基本理论当半无限大均质物体表面被常功率热流加热时，求解其导热微分方程和定值条件组成的方程组可得，即可求得导热系数。该法的不足之处是忽略了试样的侧面散热损失，没有考虑加热器热容量对测定结果的影响。

2.2.4 激光闪射法

激光闪射法是一种用于测量高导热材料与小体积固体材料的技术，这一种技术具有精度高、所用试样小、测试周期短、温度范围宽等优点从而得到广泛研究与应用。激光闪射法先直接测量复合材料的热扩展率，并由此得出其导热系数，适用于高温导热系数的测量。此方法适用于各向均匀、不透光的固体材料，同时激光闪射法测出的热扩散率会随脉冲激光能量的增加而降低，这主要与脉冲能量的均匀性、试样厚度和红外线探测器响应的非线性有关。

激光闪光法导热仪

四、纤维增强复合材料导热系数适用标准：

1.稳态测量法-中国标准：

GB/T 3139-2005纤维增强塑料导热系数试验方法-防护热板法;

‌GB/T 3399-1982塑料导热系数试验方法 护热平板法；

GB/T 29313-2012电气绝缘材料热传导性能试验方法；

2.非稳态测量法-中国标准：

GB/T 42919.4-2023塑料 导热系数和热扩散系数的测定 第4部分：激光闪光法；

GB/T 32064-2015建筑用材料导热系数和热扩散系数瞬态平面热源测试法；

GB/T 22588-2008闪光法测量热扩散系数或导热系数；

3.稳态测量法-美国标准：

ASTM C177-19 用护热板仪器法测定稳态热通量和热传递特性的试验-防护热板法；

ASTM E1530-19用护热式热流计技术评定材料抗热传输性的试验-热流计法；

ASTM C335/C335M-23 管道绝热材料稳态传热性能的标准试验-圆管法；

ASTM C518-17 使用热流计装置测定稳态热传导性能的标准试验方法；

ASTM D5470-17用于热导电电绝缘材料热传输特性的标准测试方法；

4.非稳态测量法-美国标准：

ASTM D3846-22 激光闪光法测定热扩散率的标准试验方法；

ASTM E1461-13 闪光法测定热扩散率的标准试验方法；

ASTM E2584-22 使用热电容（弹头）热量计测定材料导热系数的标准实践规程；

5. 稳态测量法-国际标准：

‌ISO 8302‌：1991绝热材料—稳态热阻及相关性能的测定—防护热板装置；

6.非稳态测量法-国际标准：

ISO 22007-2:2022塑料 - 测定导热率和热扩散率 - 第2部分：瞬态平面热源（热盘）方法；

ISO 22007-4:2017 塑料 — 热导率和热扩散率的测定 — 第4部分：激光闪光法；

ISO 11357-8:2021‌ 塑料 — 差示扫描量热法 (DSC) — 第8部分：热导率的测定；

7. 稳态测量法-中国建筑行业标准：

JC/T 2510-2019 ‌是专门针对纤维增强复合材料保温板导热系数的测试标准；

公司名称：

广州中翔检测技术有限公司，实验室位于特区深圳，专注于为客户提供金属材料制品，塑料橡胶制品，仓储货架，汽车零部件，轨道交通部件，紧固件，油漆涂料，电子元器件等产品的检验，鉴定，认证及研发等专业技术服务，服务对象涉及基础工业，港口机械，物流仓储，新能源，汽车，电力设施，航空航天及教育科研等领域。中翔检测多年来扎根于珠三角，服务于全国，依托专业的实验室技术人员，先进的检测方法，协助客户解决研发，生产，验收，贸易等多个环节的技术问题。中翔检测作为一家独立，专业，严谨，诚信的第三方检测机构，秉承着为客户提供优质服务的企业理念，是您值得信赖的合作伙伴。